干旱胁迫下的生态系统韧性规律研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 邵杏敏 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 刘昌明 ; 张永强 |
| 关键词 | 干旱 生态系统韧性 冠层导度 蒸散发 植被生产力 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 干旱是最具破坏性的自然灾害之一。长期干旱将打破生态系统原有的碳水平衡，影响生态系统的结构和功能，并对全球和区域的生态、社会和经济产生深刻的负面影响。以碳水通量作为指标，量化生态系统的干旱韧性特征，是阐明生态系统碳水循环过程对干旱胁迫的抵抗能力和恢复能力的核心，也是揭示不同生态系统干旱应对策略差异的关键。而冠层导度是生态系统碳水循环过程对干旱响应的生理基础，反映了生态系统的气孔调节作用，并影响着生态系统的光合作用和蒸腾作用。因此，解析基于碳水通量的全球生态系统的干旱韧性特征及其空间格局，并进一步揭示干旱胁迫下气孔调节作用对不同生态系统的韧性特征的影响，不仅有助于更好地理解陆地植被对全球变化的响应和适应模式，更能为降低日益增加的生态干旱风险以及高效实施生态保护ᨀ供重要的指导意义。 为系统研究全球生态系统的干旱韧性特征，本研究运用全球三个通量观测网络ᨀ供的基于观测的蒸散发数据和总初级生产力数据，量化了全球九类生态系统的干旱抵抗力、干旱恢复时间和干旱恢复速度，并利用四个全球遥感碳水通量数据集，揭示全球生态系统的干旱韧性特征空间格局。基于通量站观测数据构建随机森林模型，探明不同生态系统冠层导度的关键影响因子。最终，利用随机森林模型生成全球网格冠层导度数据，揭示全球不同生态系统冠层导度对干旱的响应差异，从生态生理的角度阐释干旱胁迫下气孔限制作用对不同生态系统基于碳水通量的韧性特征的影响。研究主要结论如下： （1）不同生态系统基于碳水通量的干旱韧性特征差异较大,灌木丛和草原碳水通量的相对下降幅度为常绿阔叶林的2—3倍。基于通量站观测数据的结果表明，干旱期间九类生态系统蒸散发的相对减少量为25.3%—50.5%，总初级生产力的相对减少量为23.5%—82.5%，其中常绿阔叶林的干旱抵抗力较强，而灌木丛和草原的干旱抵抗力较弱；九类生态系统基于碳水通量的干旱恢复时间为4.1—6.7个月，而每月平均恢复速度为8.5%—24.4%。各生态系统的干旱恢复时间相近，但恢复速度差距较大。从蒸散发角度看，常绿阔叶林恢复速度最慢，而混交林和草原恢复速度最快；从总初级生产力角度看，稀树草原的恢复速度最慢，农田的恢复速度最快。整体而言，干旱抵抗力与干旱恢复速度之间存在负相关关系，即干旱抵抗力更弱的生态系统可能往往具有更快的恢复速度。而生态系统间的干旱抵抗力与干旱恢复时间的相关性则较弱。 （2）基于碳水通量的全球干旱抵抗力和干旱恢复速度具有相反的空间格局，而干旱恢复时间的空间异质性较弱。利用通量站观测数据对四个全球遥感碳水通量数据集进行评估，结果表明四个数据集量化干旱韧性特征的表现各有优劣，难以选择最佳产品用于刻画全球干旱韧性特征的空间格局。而基于算术平均法的多产品融合结果较单个最佳遥感产品表现出更低的不确定性，且该融合结果在空间上具有更强的稳定性。因此，采用算术平均法融合四个全球遥感碳水通量数据集的干旱韧性结果，揭示全球干旱韧性特征的空间格局。结果表明，赤道地区的干旱抵抗力较强，北半球高纬度地区的干旱抵抗力较弱，干旱恢复速度却呈现出相反的空间格局，表现为赤道地区恢复速度较慢，北半球高纬度地区恢复速度快。全球大部分区域的干旱恢复时间均在8个月内，区域间的差异较小。 （3）随机森林模型能够较好地模拟九类生态系统的冠层导度，该模型探明了不同生态系统冠层导度的关键影响因子。利用通量站观测数据反算出站点的实际冠层导度，再用于训练随机森林模型模拟冠层导度。随机森林模型在九类生态系统的十折交叉验证R2为0.54—0.85。该模型的重要性分析结果表明，叶面积指数和饱和水汽压差是全球大部分生态系统冠层导度变化的关键影响因子。大部分生态系统的冠层导度随着叶面积指数的增加和饱和水汽压差的减小而单调递增，但湿地生态系统的冠层导度随着饱和水汽压差的增加而增加。 （4）阐明了九类生态系统冠层导度对干旱的响应规律，发现冠层导度是常绿阔叶林、农田、稀树草原和草原生态系统基于碳水通量的干旱韧性特征的主要影响因素。利用随机森林模型生成全球冠层导度数据，用于量化基于冠层导度的全球不同生态系统的干旱韧性特征及其空间格局。结果表明，在干旱胁迫下全球生态系统的冠层导度相对下降了17.4%—31.5%，其中，森林和湿地生态系统冠层导度下降幅度较小，主要集中在赤道附近以及北半球50°N以北的区域；而灌木丛和农田相对下降幅度较大，主要集中在澳大利亚西部、非洲南部和印度半岛。草原（7.6%/月）和农田（7.5%/月）的冠层导度干旱恢复速度最快，常绿针叶林（4.7%/月）和湿地（4.8%/月）的冠层导度干旱恢复速度最慢。干旱期间冠层导度下降幅度较大的区域，恢复速度相对较快。因此，不同生态系统基于冠层导度的恢复时间相近，全球大部分地区的恢复时间在6.0个月以内。以冠层导度指示气孔限制因素对不同生态系统碳水循环过程的影响，结果表明常绿阔叶林、农田、稀树草原和草原的蒸散发和总初级生产力对干旱胁迫的响应主要受制于气孔调节作用；常绿针叶林主要受制于非气孔限制因素；而落叶阔叶林、混交林和灌木丛则需要综合考虑气孔限制因素和非气孔限制因素的影响。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 178 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209334]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 邵杏敏. 干旱胁迫下的生态系统韧性规律研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。